Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen bei niedrigen Temperaturen

Transkript

1 Ralf Gorski, Friedemann Dörfer Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen bei niedrigen Temperaturen 1 Einleitung Seit langem haben sich unterschied - li che Qualitäten von Gusseisen in der Hydraulik, der Fluidtechnik oder im Ma - schinenbau bewährt. Mit steigenden Arbeitsdrücken bzw. anderweitig wachsenden Anforderungen, kamen nach GJL-Qualitäten (Grauguss) überwiegend GJS-Werkstoffe (Gusseisen mit Kugelgraphit auch Sphäroguss genannt) und hier meist EN-GJS bzw. EN-GJS zum Einsatz. Bei deutlich verbesserten Werten für Dehnung, Streckgrenze und Zugfestigkeit werden vom Bearbeiter gegenüber Stählen vor allem die wesentlich höheren Schnittleistungen, sowie deutlich bessere Werkzeugstandzeiten bei der sehr aufwendigen Bearbeitung geschätzt. Für Beanspruchungen, denen ein EN-GJS-400 nicht mehr gewachsen ist und wo u.a. der Gefügestruktur geschuldete Einbußen bei der Dehnung eines EN-GJS-500-7U nicht den vorgesehenen Anwendungen genügen, kommt seit einigen Jahren die jüngste Generation der Gusseisenwerkstoffe, hochsiliciierte GJS-Qualitäten, zum Einsatz [1]. Mit mechanischen Eigenschaften, die dem Vergleich mit diversen in Hydraulik und Maschinenbau verwendeten Stählen keinesfalls nachstehen, zeichnen sich diese rein fer - ritischen Gusseisen zusätzlich durch hervorragende Bearbeitbarkeit bei minimalem Werkzeugverschleiß aus [2]. Bild 1. Im stetig wachsenden Bereich der Off- Shore-Anwendungen aber auch im maritimen Bereich wächst das Interesse am Einsatz von hochsiliciierten Gusswerkstoffen wie dem GOPAG C 500 F von Gontermann-Peipers. Vorschriften und Normen der Klassifizierungsgesellschaften, die nur selten Gusseisenwerkstoffe einbeziehen, sowie fehlende Kenntnisse über moderne Gusswerkstoffe allgemein, stehen einem breiten Einsatz der zeit jedoch noch entgegen. Hinzu kommt, dass derzeit wenig über das Verhalten der zweiten Generation von Gusseisenwerkstoffen mit Kugelgraphit bei tiefen Temperaturen bekannt ist. 20% Produktivität 80% Bruttogewinn Kosten 12% Techn. Betriebswirt Ralf Gorski, Geschäftsführer der Gontermann-Peipers GmbH, Siegen Dipl. Ing. Friedemann Dörfer, Vertriebsleiter der Gontermann-Peipers GmbH, Siegen Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen 1

2 Kerbschlagwerte für Gusseisenwerkstoffe Die Kerbschlagarbeit ist ein einfaches Pro beverfahren, das vor mehr als 100 Jahren entwickelt wurde. Die Verwendung von kleinen und einfachen Pro ben und die relativ einfache und schnelle Versuchsdurchführung ermöglichen eine kostengünstige Wertebestimmung. Die EN DIN 1563 fordert für den Werkstoff GJS U-LT einen Ein zel - wert bei -20 C von 7 J und einen Mittelwert bei 3 Prüfungen von 10 J Kerbschlagarbeit bei einer Wandstärke von 60 bis 200 mm als Mindestwerte. Diese Werte sind den meisten Konstrukteuren noch aus Studienzeiten präsent. Stehen sie doch für das weit verbreitete Klischee, welches Gusseisenwerkstoffe generell als sprödes und unter Tieftemperatur nicht zu verwendendes Material einstuft. Viele haben noch die Bilder der gesunkenen Libertyschiffe im zweiten Weltkrieg und andere große Schadensfälle als Abschreckung in Erinnerung. Sprödbrüche von Schweißnähten in kalten Gewässern entwickelten eine hohe Sensibilität der Ingenieure für die Kaltzähigkeit von Werkstoffen. Der in diesem Zusammenhang häufig angewandte Kerbschlagbiegeversuch, der für kaltzähen Baustahl mind. 27 J bei -20 C nachweist, deklassierte somit ungerechtfertigt Gusseisen mit den o. g., deutlich niedrigeren Kerbschlagwerten. Die gültige Norm EN DIN für die Kerbschlagbiegeprobe ändert nichts an dieser allgemeinen Betrachtungsweise. Wenig bekannt ist dagegen die Tatsache, dass sich Ergebnisse der Kerbschlagarbeit nur in einer einheitlichen Werk- stoffgruppe vergleichen lassen. Somit sind Baustahl und Gusseisen sowie legierte Stahlsorten nicht auf Basis einer identischen Kerbschlagbiegeprobe untereinander zu vergleichen [9]. Da auch die Kerbschlagarbeit keine unmittelbare Anwendung in der Bauteilberechnung zulässt, muss jeder Konstrukteur sich die Frage stellen, welche anderen Prüfungen/Werte er für seine Bauteilauslegung zu berücksichtigen hat [9]. Konzept der Bruchmechanik Neben der Ermittlung von Festigkeitsund Dehnwerten bietet die Bruchmechanik an dieser Stelle weitere Möglichkeiten. Mit dem Konzept der Bruchmechanik verbindet man zulässige Spannungskomponenten und die Größen von strukturellen Ungänzen quantitativ miteinander und drückt damit eine neue Werkstoffeigenschaft, die Bruchzähigkeit, aus. Diese Werkstoffeigenschaft kennzeichnet, den Wi - derstand gegen instabiles Risswachstum [8]. Der für den Werkstoff ermittelte Wert der Bruchzähigkeit stellt somit ein wichtiges Kriterium in der Bauteilauslegung dar. Bei der Untersuchung der Werkstoffe GOPAG und Hyt 60 an der Universität Aachen wurden für beide Werkstoffe identische KIC-Werte ermittelt [1]. Zurzeit laufen weitere Untersuchungen an der TU Bergakademie Freiberg für die Erstellung einer Stranggussnorm, um zu künftig für den Konstrukteur gesicherte Werte zur Verfügung zu stellen. Weitere informative Anhänge für GJS- Werkstoffe finden sich darüber hinaus in der EN DIN Aber auch praktische Versuche lassen unter Berücksichtigung entsprechender Sicher - heitsbeiwerte oft Rückschlüsse auf die Bauteilauslegung zu. 2 Untersuchte Materialien Im September 2010 zeigte ein bei HYDAC Fluidtechnik durchgeführter Berstdruckversuch (GOPAG C 500 F im Vergleich zu 11SMnPb30+C), dass der Gusswerkstoff bei Raumtemperatur einem höherem Druck stand hält als der Schnellarbeitsstahl [3]. Der Versuchaufbau zeigte, dass bei beiden Materialien bei ca bar das Gewinde am Anschluss ausgerissen wurde. Vor diesen Hintergründen entschloss sich Gontermann-Peipers eigene Berstversuche an drei Kugelgraphit- Gusswerkstoffen und einem für den Einsatz in der Hydraulikindustrie optimierten, le gierten Schmiedestahles bei Raumtemperatur bei -20 C sowie bei -40 C durchzuführen. Verglichen wurden: der hochsiliciierte GOPAG C 500 F (Strangguss), ein EN GJS U (Strangguss), der u.a. von der DNV [11] gelistete und zugelassene EN-GJS (Kokillenblockguss), der HYT 60 (leg. Schmiedestahl). Während der GOPAG C 500 F den HYT 60 in Streckgrenze und insbesondere A-Dehnung deutlich übertrifft, liegen die beiden GJS 400-Werkstoffe erwartungsgemäß bei Festigkeit und Härte unter dem GOPAG und dem Schmiedestahl. Typisch für hochsiliciierte Werk - stoffe weist der GOPAG C 500 F ein gegenüber den anderen Werkstoffen deutlich erhöhtes Streckgrenzenverhältnis auf (Tabelle 1). Alle Gontermann-Peipers-Gusswerkstof fe zeigen in der Gefügestruktur ein praktisch rein ferritisches Gefüge mit sauber ausgebildeten und fein verteilten Graphitkugeln, die bei der Bearbeitung hohe Schnittgeschwindigkeiten erlauben und zu minimalen Toleranzen führen. Die im akkreditierten Labor von GP nachgewiesene Struktur des HYT 60 zeigt einen sehr hohen Perlitanteil (Tabelle 2). Beim Vergleich anderer untersuchter Proben dieser Schmiedestahlqualität [1, 2, 4] zeigt sich aber generell eine hohe Schwankungsbreite im Gefüge und der Bruchdehnung. Allerdings gibt der Hersteller für diesen Werkstoff auch keine garantierte Bruchdehnung im Werkstoffdatenblatt an. 2 Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen

3 Mechanische Eigenschaften der untersuchten Werkstoffe Probenlage im Block Zugfestigkeit R m Streckgrenze Rpo,2 Streckgrenzenverhältnis Rpo,2 / R m Bruchdehnung A 5 Härte (Mpa) (Mpa) % HB GOPAG C 500 F 1/4 D ,778 17, GJS U-LT Außen ,641 26, GJS U 1/4 D ,670 23, HYT 60 Außen ,610 6, Tabelle 1: Grundgefüge Graphit (nach EN ISO 945) Ferrit Perlit Zementit Form Größe Entartung GOPAG C 500 F 1/4 D 100 % 0 0 V VI 6 7 (8) Keine GJS U-LT 30 mm von außen 100% 0 0 V VI Keine GJS U 1/4 D 98% 2% 0 V VI (4) 5 6 Keine HYT mm von außen 20% 80% Tabelle 2: 3 Versuchsdurchführung Für die Berstversuche fanden sich bei der MAXIMATOR GmbH in Nordhausen/Harz die geeigneten Einrichtungen. Mit dem Ziel, 6000 bar als Berstdruck nicht zu überschreiten und mangels einer genormten Prüfung oder eines Prüfkörpers für Berstversuche, wurde in Anlehnung an die Zugfestigkeits-Berstdruck Relation nach Boardmen [5] und unter Berücksichtigung einer optimalen Probenaufnahme, eine zylindrische Probenform mit 3 mm Wandstärke bei a = 14 mm definiert (siehe Bild 1). 20 mm 14 mm 8 mm 84 mm Bild 1 Bild 2 Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen 3

4 Eine Seite der Probe wurde mit einer Kugel verschlossen. Die Druckeinleitung erfolgte über einen eingepressten Stahlkegel, wobei die notwendige Dichtkraft durch Überwurfmuttern erzeugt wurde. Die Versuchsanordnung in der Autofrettageanlage PS 912 ist in den Bildern 2 und 3 ersichtlich. Folgende Prüfbedingungen wurden definiert: Prüfstand: Autofrettageprüfstand PS 912 Prüftemperatur: + 22 C / -20 C / -40 C Prüfmedium: Maxifluid Messmittel: Drucksensor Wika 7000 bar, N Prüfvorgaben Druckkurve: Vordruck: 1000 bar Druckanstieg: 170 bar/s. Der Druckanstieg von 170 bar/s sollte eine statische Belastung simulieren. Der Vordruck von 1000 bar diente der Stabilisierung des Systems vor der eigentlichen Belastung. Bild 3 4 Ergebnisse Alle drei unterschiedlichen Werkstoffe (GJS 400, GOPAG, Schmiedestahl) zeigten unter den jeweiligen Prüftemperaturen ein unterschiedliches Berstverhalten. Während der GOPAG C 500 F, aufgrund des geringen Dehnbereiches oberhalb der Streckgrenze eine sehr geringe bleibende Verformung aufweist und platzt, weisen die traditionellen, ferritischen GJS- Werkstoffe eine bleibende Deformation vor dem Bersten auf. In Abhängigkeit von der Prüftemperatur verändert sich das Verhalten des HYT 60 deutlich. Wie auch in anderen Versuchen nachgewiesen, [7] kommt es bei allen Werkstoffen zu einer geringen Veränderung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur, die sich in der Deformation vor dem Bersten darstellt (Bild 4). Die GJS 400 Werkstoffe zeigen im Gegensatz zum GOPAG 500 und dem HYT 60 (hier nur bei -40 C) eine bleibende plastische Verformung. GOPAG C 500 F RT - 20 C - 40 C GJS U-LT RT - 20 C - 40 C 4 Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen

5 GJS U RT - 20 C - 40 C HYT 60 RT - 20 C - 40 C Bild 4 Die während der Versuche ermittelten Berstdrücke stellen erwartungsgemäß ein Äquivalent zu den vorab festgestellten Zugfestigkeiten dar. Bis auf den GOPAG C 500 F weisen alle Materialien einen leichten Anstieg der Drücke mit sinkender Temperatur auf (Tabelle 3). Berstdrücke bei verschiedenen Temperaturen EN-GJS U EN-GJS U-LT GOPAG 500 GJS HYT C - 20 C - 40 C 22 C - 20 C - 40 C 22 C - 20 C - 40 C 22 C - 20 C - 40 C Tabelle 3 Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen 5

6 2 Ableitungen für die Praxis In Auswertung der im zweiachsigen (flächigen) Spannungszustand ermittelten Berstdrücke stellte sich die Frage, in wieweit diese unmittelbar in Relation zu den Ergebnissen des Zugversuches mit einachsigem Spannungszustand gesehen werden können. Mit Hilfe einer Berechnung der Zugfestigkeit aus dem Berstdruck nach Boardman [5] ergab sich jedoch für die Gusswerkstoffe eine gute Übereinstimmung mit +17 % bis +19% gegenüber den Werten in Tabelle 1. Der Stahl zeigte hier eine Abweichung 3 von +30%. Als eine wesentliche Ursache für die Abweichungen wurde die geringe Länge des Prüfrohres angesehen, da für alle Berechnungen mit den genannten Formeln ein unendlich langes Prüfrohr vorausgesetzt wird. In jedem Fall brachten die Ergebnisse nach Boardman im Vergleich zu den Formeln nach Barlow und Lame [5] die größere Übereinstimmung mit den Messwerten aus Tabelle 1. Alle errechneten Werte lagen unter den Ergebnissen aus dem Zugversuch und zwar mit sich verstärkender Tendenz bei abnehmender Temperatur, was erneut die Ausführungen in [9] bestätigt. Die nachstehenden Angaben beinhalten demzufolge alle einen zusätzlichen Sicherheitsbeiwert von =/ > 17%. Entsprechend wurde auf die Ermittlung von Vergleichsspannungen unter zu Hilfenahme einer sonst gesondert anzuwendenden Festigkeitshypothese verzichtet. Die errechneten Streckgrenzenverhältnisse Rp0,2 / R aus Tabelle 1 wurden entsprechend zur Berechnung einer theoretischen Streckgrenze für die Werkstoffauswahl verwendet. (Tabelle 4, Bild 5 [6]). Da Gusswerkstoffe mit sinkender Temperatur höhere Werte für die Zugfestigkeit und Streckgrenze und zwar in etwa ähnlicher Relation aufweisen, konnten für alle untersuchten Temperaturen die selben Streckgrenzenverhältnisse angewandt werden [9, 10] HOOKEsche Gerade 2 Streckgrenze R PO,2 4 3 Zugfestigkeit R m 4 Bruchdehnung A Bild 5 Streckgrenzen-/ Zugfestigkeitsverhältnis Werkstoff R /R Po,2 m GOPAG C 500 F 0,778 0,900 0,800 0,700 0,600 GJS U-LT 0,641 GJS U 0,670 HYT 60 0,610 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 GOPAG C 500 F GJS U-LT GJS U HYT 60 Tabelle 4 Die als Produkt aus Streckgrenzenverhältnis und Berstdruck (Rp0,2 / R x P Berstdruck ) ermittelten Streckgrenzen (Bild 5) zeigen die eigentlichen, für den Konstrukteur wesentlichen Parameter zur Beurteilung der Werkstoffe (Tabelle 5). Sie beschreiben den jeweils maximalen Druck in Abhängigkeit von der Temperatur, mit denen die Materialien belastet werden können, ohne dass eine bleibende Verformung eintritt. 6 Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen

7 Streckgrenzenverhältnis x Berstdruck als Äquivalent zur Streckgrenze EN-GJS U EN-GJS U-LT GOPAG C 500 F HYT C - 20 C - 40 C 22 C - 20 C - 40 C 22 C - 20 C - 40 C 22 C - 20 C - 40 C Tabelle 5 Im gesamten Temperaturspektrum erreicht der GOPAG C 500 F eine Streckgrenze von durchschnittlich 2310 bar. Bei einem Sicherheitsbeiwert von 3 ergibt sich daraus bei einer Wandstärke von 3 mm ein maximaler Nenndruck von 770 bar bzw. 924 bar mit einem S von 2,5. Das bedeutet für eine normale 250 bar Anwendung ein Sicherheitsbeiwert von 9,2 und damit erhebliche Reserven für den Konstrukteur. Maximator GmbH Nordhausen Kunde: Auftrags-Nr.: Gontermann Peipers D Datum: Prüfung: Bauteil: Berstdruckprüfung Druckprobe Werkstoff: GJS U Prüftemperatur: - 40 C Serien-Nr.: Probe 1 Berstdruck: 2973 bar Temperatur: C Berstdruckversuche mit Gusseisenwerkstoffen 7

8 3 Zusammenfassung Alle getesteten Werkstoffe zeigten im Versuch bei R und Rp0,2 keine signifikanten Schwankungen. Die Berstversuche haben gezeigt, dass alle drei Gusseisen mit Kugelgraphit auch im Tieftemperaturbereich z.b. für Hydraulikblöcke einsetzbar sind. Der als einziger in der Testreihe für den Einsatz bei -20 C klassifizierte Werkstoff EN-GJS U-RT unterscheidet sich tendenziell unter Versuchsbedingungen nicht von den anderen untersuchten Materialien. Der GOPAG C 500 F weist von allen geprüften Werkstoffen die größte Konstanz der mechanischen Eigenschaften in allen Temperaturbereichen auf und erzielt dabei Werte, die mit denen des HYT 60 vergleichbar sind. Der negative Einfluss von tiefen Temperaturen, die die Kerbschlagzähigkeit bei Gusswerkstoffen stark vom Stahl abweichen lässt, wurde im Berstversuch nicht nachgewiesen. Insofern stellt sich erneut die Frage, in wieweit nicht die Bewertung von anderen Materialeigenschaften wie z.b. die Streckgrenze oder die Bruchmechanik eine praxisnähere Einschätzung der Eignung für den Einsatz im Tieftemperaturbereich gegenüber dem Kerbschlagbiegeversuch darstellen. Es wurde kein Risiko für den Einsatz des GOPAG C 500 F beim Einsatz in Tieftemperaturen nach gewiesen. Die wirtschaftlichen Vorteile, die für den Einsatz dieses Werkstoffes in [2] nachgewiesen wurden, sind also auch im Off-Shore- und maritimen Bereich nutzbar. Die durchgeführten praktischen Testreihen haben wie bereits bei der Umstellung von geschmiedeten zu gegossenen Kurbelwellen erneut gezeigt, welche Chancen moderne Gusseisenwerkstoffe den Konstrukteuren heute bieten. Gemeinsam mit herausragenden Eigenschaften von Gusseisen bei der mechanischen Bearbeitung ergeben sich so innovative Lösungen, die erheblich zur Kostenreduzierung unter Gesamtkostenbetrachtung (Totel Cost) beitragen können. Literatur [1] Klaus Herfurth, Ralf Gorski, Klaus Beute, Marcus Hering, GOPAG C 500 F Gusswerkstoff für den Maschinenbau mit höherer Festigkeit und Bruchdehnung bei sehr homogener Härteverteilung [2] Ralf Gorski, Friedemann Dörfer, Doppeleffekt durch schnelleres Bohren bei geringerem Werkzeugverschleiß mehr Fertigteile pro Maschine und Schicht [3] Berstdruckversuch Vergleich Gopag C 500 F und 11SMnPb30+C, Hydac Fluidtechnik, September 2010 [4] Friedemann Dörfer, Erhöhung des Kundennutzen durch Einsatz von ferritischen Spärogusslegierungen [5] [6] Prof. Dr.-Ing. Alfons Fischer, Praktikum Grundlagen der Werkstofftechnik Scriptum für Studierende der Universität Duisburg-Essen [7] VDG Fachbericht 083 (2001) Teilprojekt Hochfeste GGG-Gussteile mit ausreichender Duktilität [8] EN DIN Anhang F Bruchzähigkeit, Schlagenergie und Duktilität von GJS [9] Stephan Hasse, Duktiles Gusseisen, Handbuch für Gusserzeuger und Gussverwender, Verlag Schiele & Schön [10] Untersuchungen zum Verformungsverhalten von Gusseisen mit Kugelgraphit GGG-38/42 im Temperaturbereich zwischen 77 K und 873 K [11] DNV Det Norske Veritas, Rules for ships Pt. 2 Ch. 2 Sec. 8